UNIVERSIDADE DE SANTIAGO DE COMPOSTELA Trabajo Fin de …

UNIVERSIDADE DE SANTIAGO DE COMPOSTELA

Trabajo Fin de Grado

Facultad de Química

Departamento de Química Orgánica

Centro Singular de Investigación en Química Biolóxica

e Materiais Moleculares (CIQUS)

FOTOCICLACIÓN INTRAMOLECULAR

DE POLIFENILACETILENOS

Francisco Rey Tarrío

Julio, 2017

D. EMILIO QUIÑOÁ CABANA, Catedrático del Departamento de Química Orgánica de

la Universidade de Santiago de Compostela y D. FÉLIX FREIRE IRIBARNE, Prof.

Contratado Doctor de la Universidade de Santiago de Compostela.

INFORMAN: que Don Francisco Rey Tarrío realizó

el trabajo titulado “Fotociclación intramolecular de

Polifenilacetilenos” bajo nuestra dirección en los

laboratorios del Centro de Investigación en Química

Biológica e Materiais moleculares (CIQUS), dedicando

a su ejecución un tiempo superior al mínimo legal

requerido; autorizando, por lo tanto, su presentación

como trabajo de fin de grado.

Santiago de Compostela, a 12 de Julio del 2017

Fdo.:

Emilio Quiñoá Cabana Félix Freire Iribarne

ÍNDICE

1. RESUMEN ............................................................................................................................... 1

2. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................. 3

2.1 HISTORIA DE LAS MACROMOLECULAS HELICOIDALES ........................... 3

2.2 CLASIFICACIÓN DE LOS POLÍMEROS HELICOIDALES ............................... 6

2.2.1 POLÍMEROS HELICOIDALES ESTÁTICOS ....................................................... 6

2.2.2 POLÍMEROS HELICOIDALES DINÁMICOS ...................................................... 7

2.3 POLIACETILENOS ......................................................................................................... 9

2.4 POLI(FENILACETILENO)S, ESTRUCTURA SECUNDARIA .......................... 11

2.5 PROPIEDADES DE LOS (POLIFENILACETILENO)S ..................................... 13

2.5.1 INVERSIÓN DE LA HELICIDAD ..................................................................... 13

2.5.2 INDUCCIÓN DE LA HELICIDAD .................................................................... 13

2.5.3 EFECTO MEMORIA EN LA QUIRALIDAD HELICOIDAL ..................... 14

2.5.4 AMPLIFICACIÓN DE LA HELICIDAD ........................................................... 14

2.6 REACTIVIDAD DEL ESQUELETO POLIÉNICO .............................................. 15

2.6.1 REACTIVIDAD TÉRMICA ................................................................................... 15

2.6.2 REACTIVIDAD CON LUZ ................................................................................... 17

3. OBJETIVOS Y PLANTEAMIENTO ............................................................................... 19

3.1 OBJETIVOS ..................................................................................................................... 19

3.2 PLANTEAMIENTO ....................................................................................................... 20

4. DISCUSIÓN DE RESULTADOS ..................................................................................... 21

4.1 PREPARACIÓN DE LAS MUESTRAS ..................................................................... 21

4.2 ESTUDIO DE LA REACCIÓN ................................................................................... 22

4.3 CARACTERIZACIÓN Y RESULTADOS ................................................................. 25

4.3.1 Poli-(S)-1....................................................................................................................... 26

4.3.2 Poli-(S)-2 ...................................................................................................................... 28

4.3.3 Poli-(R)-4 ...................................................................................................................... 30

4.3.4 Poli-(R)-5 ...................................................................................................................... 32

4.3.5 Poli-(S)-3 ...................................................................................................................... 34

5. CONCLUSIONES ................................................................................................................ 36

6. PARTE EXPERIMENTAL ................................................................................................. 38

6.1 CONDICIONES DE TRABAJO EN EL LABORATORIO ................................. 38

6.2 SÍNTESIS .......................................................................................................................... 39

6.2.1 PROCEDIMIENTO GENERAL DE ACOPLAMIENTO CON MPA,

SÍNTESIS DE (S)-1, (S)-2 y (S)-3 ..................................................................................... 39

6.2.2 SÍNTESIS DEL MONÓMERO (R)-4 ................................................................... 44

6.2.3 SÍNTESIS DEL MONÓMERO (R)-5 ................................................................... 46

6.2.4 PROCEDIMIENTO GENERAL DE POLIMERIZACIÓN .......................... 48

ABREVIATURAS

AFM Microscopía de Fuerza Atómica

CD Dicroísmo Circular

c-c Cis-Cisoide

c-t Cis-transoide

DIPEA Diisopropiletilamina

DSC Calorimetría diferencial de barrido

Equiv. Equivalentes

ESI Ionización por electrospray

FGME Fenilglicina metil ester

g Gramos

HATU 2-(7-Azabenzotriazol-1-il)-1,1,3,3-tetrametiluronio hexafluorofosfato

HOBt 1-hidroxibenzotriazol

mg Miligramo

min Minutos

mL Mililitro

MM Mecánica Molecular

MS Espectrometría de Masas

MPA ácido-α-metoxifenilacético

MTPA ácido-α-metoxitrifluorofenilacético

nm Nanómetro

PA Poliacetileno

PPA Polifenilacetileno

RMN Resonancia Magnética Nuclear

t-c Trans-Cisoide

TEM Microscopía electrónica de transmisión

ABREVIATURAS

THF Tetrahidrofurano

TGA Análisis Termogravimétrico

TMS Tetrametilsilano

t-t Trans-Transoide

UV-Vis Ultravioleta-visible

ºC Grados Celsius

λ Longitud de Onda

μL Microlitro

RESUMEN

1

1. RESUMEN

• Castellano:

Los polifenilacetilenos son un grupo de polímeros helicoidales dinámicos,

constituidos por una cadena de polienos (π-conjugados), que en base a su esqueto poliénico,

pueden adoptar cuatro posibles configuraciones de las cuáles, solo la cis-cisoide y la cis-transoide

promueven la formación de la estructura helicoidal.

Las propiedades de los polifenilacetilenos están relacionadas con el sentido helicoidal

y el grado de extensión/compresión de la cadena polimérica. Una destacable propiedad es su

reactividad fotoquímica, la degradación lumínica de polienos π-conjugados es intramolecular,

altamente selectiva, conduce a bencenos 1,3,5-trisustuidos, solo tiene lugar en fase sólida y

es fuertemente dependiente de la configuración y conformación de los sustratos poliméricos

de partida.

La dependencia de la estructura del polímero de partida podría aplicarse para la

determinación de la estructura helicoidal de un polímero. Para evaluar si es posible establecer

una relación entre estructura y reactividad fotoquímica, se estudió la reacción en cinco

polifenilacetilenos con estructuras cis-cisoide y cis-transoide.

Los datos obtenidos permitieron relacionar la estructura del esqueleto poliénico con

los tiempos de irradiación de las muestras. Con ello se demostró que los polímeros con

estructuras helicoidales más compactas, cis-cisoide, tienen tiempos de irradiación

significativamente menores que aquellos polímeros con hélices más extensas, cis-transoide.

• Galego:

Os polifenilacetilenos son un grupo de polímeros helicoidais dinámicos, constituidos

por unha cadea de polienos (π-conxugados), que en base o seu esqueleto poliénico, poden

adoptar catro posibles configuracións das cais só a cis-cisoide e a cis-transoide promoven a

formación da estrutura helicoidal.

As propiedades dos polifenilacetilenos están relacionadas co sentido helicoidal e o

grao de extensión/compresión da cadea polimérica. Unha destacable propiedade é a súa

reactividade fotoquímica, a degradación lumínica de polienos π-conxugados é intramolecular,

altamente selectiva, conduce a bencenos 1,3,5-trisustuidos, só ten lugar en fase sólida e é

RESUMEN

2

fortemente dependente da configuración e conformación dos sustratos poliméricos de

partida.

A dependencia da estructura do polímero de partida podería aplicarse para a

determinación da estructura helicoidal dun polímero. Para evaluar se é posíbel establecer

unha relación entre estructura e reactividade fotoquímica, estudouse a reacción en cinco

polifenilacetilenos con estructuras cis-cisoide e cis-transoide.

Os datos obtidos permitiron relacionar a estrutura do esqueleto poliénico cos tempos

de irradiación das muestras. Con isto demostrouse que os polímeros con estruturas

helicoidales máis compactas, cis-cisoide, teñen tempos de irradiación significativamente

menores que aqueles polímeros con hélices máis extensas, cis-transoide.

• English:

Poly(phenylacetylenes)s are a group of dynamic helical polymers based on a polyene

chain (π-conjugated), which on the basis of their polyene skeleton, can adopt four possible

configurations, where only cis-cisoid and cis-transoid promote the formation of the helical

structure.

The properties of the polyphenylacetylenes are related to the helical direction and the

degree of streching/compression of the polymer chain. A remarkable property is the

photochemical reactivity, the light degradation of π-conjugated polyenes is intramolecular,

highly selective, leads to 1,3,5-trisubstituted benzenes, only takes place in solid phase and is

strongly dependent on the configuration and conformation of the starting polymeric

substrates.

The dependence of the structure of the starting polymer could be applied for the

determination of the helical structure of a polymer. To evaluate if it is possible to establish a

relationship between structure and photochemical reactivity, the reaction was studied in five

polyphenylacetylenes with cis-cisoide and cis-transoid structures.

The results obtained have shown that the relationship between the structure of the

polyene skeleton. It have been demonstrated that cis-cisoid polymers need lower irradition

time than cis-transoid polymers.

INTRODUCCIÓN

3

2. INTRODUCCIÓN

Las macromoléculas son especies de alto peso molecular cuyo descubrimiento se

remonta al siglo XIX, pero no fue hasta 1920, cuando Hermann Staudinger presentó una

serie de reacciones que formaban especies de elevado peso molecular por unión de un gran

número de moléculas pequeñas. Definió entonces estas reacciones con el término de

polimerización y propuso que estas estructuras de elevado peso molecular se unían mediante

enlaces covalentes, lo que supuso un nuevo concepto al que denominó como

macromoléculas.1

Existen macromoléculas como el ADN y algunas proteínas y polisacáridos que son

biopolímeros helicoidales, compuestos en los que la estructura secundaria (estructura

helicoidal) está íntimamente ligada a su actividad en la naturaleza (reconocimiento, catálisis y

almacenamiento de información genética). Esta relación ha propiciado el desarrollo de

polímeros helicoidales sintéticos con diversas propiedades como la emisión de luz,

autoensamblaje, fotorresistencia o cromismo con el fin de imitar a los biopolímeros naturales.

Así como introducir nuevas propiedades tales como, su uso como sensores quirales,

nanoreactores, etc.

La hélice es una estructura quiral, por ello dota a las macromoléculas helicoidales de

actividad óptica aún en ausencia de carbonos asimétricos y centros estereogénicos, ya que la

adopción de una conformación helicoidal las dota de quiralidad axial.

2.1 HISTORIA DE LAS MACROMOLECULAS HELICOIDALES

La historia de las macromoléculas helicoidales tiene sus inicios en la primera mitad

del siglo XX. En 1937, Hanes propuso la estructura de la (R)-Amilosa.2 Posteriormente, en

la década de los años 50, se llevarán a cabo dos grandes descubrimientos en la Biología

1 “The Foundation of Polymer Science by Hermann Staudinger (1881-1965)” commemorative

booklet produced by the National Historic Chemical Landmarks program of the American Chemical

Society in 1999.

2 C.S.Hanes, New Phytol. 1937, 36, 189-282.

INTRODUCCIÓN

4

Molecular, el descubrimiento de la estructura de la hélice α de los péptidos naturales (Pauling,

1951)3 y el descubrimiento de la doble hélice del ADN (Watson y Crick, 1953).4

En 1955, Natta describe la existencia de helicidad en el polipropileno isotáctico, este

a pesar de presentar una conformación aleatoria (R + S) en su forma cristalina y ser inestable

en disolución, adopta una estructura helicoidal en estado sólido.5 Se trata del primer polímero

no natural descrito con una estructura helicoidal lo que supone el comienzo del campo de

las macromoléculas helicoidales sintéticas.

Tras el descubrimiento de Natta, se han producido importantes descubrimientos en

el diseño de polímeros helicoidales, capaces de adoptar una conformación definida en

disolución. De entre estos avances se destacan las siguientes investigaciones.

En la década de los años 60, Pino y colaboradores prepararon una serie de polímeros

vinílicos isotácticos mediante la polimerización de olefinas ópticamente activas; donde el

“pendant” quiral actúa como promotor de la helicidad, con lo que se logra obtener una

conformación helicoidal con exceso de uno de los posibles confórmeros.6

Posteriormente, en la década de los años 70, tuvieron lugar los mayores avances en

el campo de las macromoléculas. Destacando de entre ellos la preparación del primer

polímero vinílico helicoidal sintetizado a partir de un monómero aquiral (Okamoto, 1979).7

Mediante la utilización de un catalizador quiral se logra inducir una hélice con un único

sentido helicoidal (Figura 1) y con ello obtener un polímero completamente isotáctico estable

en disolución y con capacidad de reconocimiento quiral para múltiples compuestos.

Figura 1. Primera polimerización de un monómero aquiral

3 Pauling, L.; Corey, R. B.; Branson, H. R. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1951, 37(4), 205-211.

4 Watson, J. D.; Crick, F. H. Nature, 1953, 171(4356), 737-738.

5 Natta, G.; Pino, P.; Corradini, P.; Danusso, F.; Mantica, E.; Mazzanti, G.; Moraglio, G. J. Am. Chem.

Soc. 1955, 77, 1708-1710.

6 Pino, P.; Lorenzi, G. P. J. Am. Chem. Soc. 1960, 82, 4745-4747.

7 Okamoto, Y.; Suzuki, K.; Ohta, K.; Hatada, K.; Yuki, H. J. Am. Chem. Soc. 1979, 101, 4763-4765.

INTRODUCCIÓN

5

En 1988, Green y colaboradores presentaron una serie de polímeros helicoidales

dinámicos, estos consistían en poliisocianatos capaces de adoptar una hélice levógira o

dextrógira por la presencia de un estímulo externo.8 Por estar desprovistos de centros

quirales, estos polímeros presentan una mezcla aleatoria de ambas conformaciones

helicoidales con una barrera energética baja. Por ello, la existencia de una pequeña

predisposición quiral puede convertirse en un cambio conformacional de la cadena principal

mediante un fenómeno de amplificación de la quiralidad a través de toda la cadena

(Figura 2). Este hecho fue demostrado por Green mediante la copolimerización de

isocianatos aquirales con un pequeño porcentaje de isocianatos ópticamente activos (a dicho

fenómeno de amplificación Green lo denominó efecto Sargentos y Soldados).

O mediante la copolimerización de la mezcla racémica (R + S) con un pequeño

exceso enantiomérico (denominado como la regla mayoritaria, donde se economiza la energía

de las inversiones helicoidales debido a que la minoría obedece el sentido de giro indicado

por la mayoría), en ambos casos se logra obtener poliisocianatos ópticamente activos con un

exceso de un sentido helicoidal.

Figura 2. Fenómeno de amplificación de la quiralidad (efecto sargentos y soldados)

8 Green, M. M.; Andreola, C.; Munoz, B.; Reidy, M. P.; Zero, K. J. Am. Chem. Soc. 1988, 110, 4063- 4065.

INTRODUCCIÓN

6

2.2 CLASIFICACIÓN DE LOS POLÍMEROS HELICOIDALES

En base a estas propiedades, los polímeros helicoidales sintéticos pueden clasificarse

en dos grandes grupos atendiendo a las diferentes propiedades helicoidales y su

comportamiento en la interconversión de la helicidad como polímeros helicoidales estáticos

y polímeros helicoidales dinámicos.

2.2.1 POLÍMEROS HELICOIDALES ESTÁTICOS

Forman parte de este grupo los polímeros sintéticos que adoptan una estructura

helicoidal con un sentido definido durante la síntesis, en donde, la presencia de estímulos

externos no influye en la helicidad (Figura 3).9 Ocurre principalmente en polímeros formados

por polimerización de monómeros con grupos muy voluminosos en sus cadenas laterales,

donde las unidades monoméricas que se van incorporando a la cadena en crecimiento fijan

la hélice en una conformación debido al impedimento estérico, lo que caracteriza a estos

compuestos por su alta energía de inversión de hélice.

Figura 3. Polímeros helicoidales estáticos

Pertenecen a esta clase de polímeros helicoidales los poli(metacrilato)s,

poli(isocianuro)s o poli(cloral) y derivados entre otros (Figura 4). Los cuales se sintetizan

mediante polimerización de monómeros ópticamente activos, polimerización asimétrica de

monómeros aquirales o proquirales o mediante iniciadores o catalizadores quirales.10 La

helicidad obtenida bajo estas condiciones está determinada por los sustituyentes quirales

unidos covalentemente al polímero, por la clase de iniciador empleado o por la quiralidad de

9 Yashima, E.; Maeda, K.; Iida, H.; Furusho, Y.; Nagai, K. Chem. Rev. 2009, 109, 6102-6211. 10 Okamoto, Y.; Nakano, T. Chem. Rev. 1994, 94, 349-372.

INTRODUCCIÓN

7

los ligandos quirales del catalizador usados durante la polimerización de monómeros

aquirales voluminosos.

Figura 4. Polímeros helicoidales estáticos

2.2.2 POLÍMEROS HELICOIDALES DINÁMICOS

Este grupo engloba a polímeros que pueden adoptar ambos sentidos de giro durante

la síntesis.8 Su estructura helicoidal (elongación y sentido), se puede modular una vez se han

sintetizado mediante estímulos externos (pH, temperatura, polaridad…) ya que cuentan con

una baja barrera de interconversión helicoidal (Figura 5).9

Figura 5. Control de la helicidad en polímeros helicoidales dinámicos

INTRODUCCIÓN

8

Destacan dentro de este grupo de polímeros helicoidales los poli(isocianato)s11,

poli(silano)s12 y poli(acetileno)s.13 Los poli(acetileno)s (Figura 6) en contraste con los

poli(isocianato)s y poli(silano)s resultan más flexibles y dinámicos y se tratarán

específicamente en las siguientes secciones.

Figura 6. Polímeros helicoidales dinámicos

La síntesis de polímeros helicoidales dinámicos puede llevarse a cabo mediante dos

métodos:

• Polimerización de monómeros ópticamente activos, adoptarán

preferiblemente una de las dos posibles hélices.14

• Polimerización de monómeros aquirales. Se puede controlar el sentido de

giro del polímero mediante la adición de un iniciador quiral, la adición de un

disolvente o un aditivo quiral en una disolución con un polímero ya formado.

De forma que la adición de alguna de estas especies desplaza el equilibrio

hacia la hélice que forme el complejo polímero-aditivo más estable.15

11 Schwartz, E.; Koepf, M.; Kitto, H. J.; Nolte, R. J. M.; Rowan, A. E. Polym. Chem. 2011, 2, 33-47.

12 Fujiki, M. J. Organomet. Chem. 2003, 685, 15-34.

13 Liu, J.; Lam, J. W. Y.; Tang, B. Z.; Chem. Rev. 2009, 109, 5799-5867.

14 Louzao, I.; Seco, J. M.; Quiñoá, E.; Riguera, R. Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 1430-1433.

15 Freire, F.; Seco, J. M.; Quiñoá, E.; Riguera, R. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 11692-11696.

INTRODUCCIÓN

9

2.3 POLI(ACETILENO)S

Los poli(acetileno)s (PAs) son un grupo de polímeros helicoidales dinámicos

constituidos por una cadena de polienos (π-conjugados), esta clase de polímeros pueden

adoptar una estructura helicoidal predominante si se preparan a partir de una serie de

monómeros característicos de entre los cuales sobresalen los fenilacetilenos.9, 13, 16

Los poli(fenilacetileno)s (PPAs) destacan por su solubilidad en disolventes orgánicos

comunes, estabilidad en aire, procesabilidad y semiconductividad. así como por su

versatilidad química, física y propiedades ópticas, que les confieren tanto a los PPAs como a

sus derivados aplicaciones en películas de polarización óptica, electrodos asimétricos,

sensores quirales, etc.13, 16

En base al esqueleto de polienos, los dobles enlaces de los PAs (e igualmente los

PPAs) pueden adoptar cuatro posibles configuraciones trans-transoide (t-t), trans-cisoide (t-c), cis-

transoide (c-t) o cis-cisoide (c-c) (Figura 7). De las cuales sólo la c-t y la c-c promueven la formación

de la estructura helicoidal.16

Figura 7. Configuración de los dobles enlaces de un PPA

16 Liu, J.; Tang, B. Z. Acc. Chem. Res. 2005, 38, 745-754.

INTRODUCCIÓN

10

En la actualidad existen diversos catalizadores que generan PAs con buenos

rendimientos. Destacan de entre ellos los catalizadores de Rh(I), como por ejemplo

[Rh(nbd)Cl]2 (nbd: 2,5-norbornadieno), catalizador ópticamente inactivo que genera una

polimerización estereoespecífica, con elevado rendimiento, baja polidispersidad, alto peso

molecular y un elevado contenido en dobles enlaces cis (Figura 8) mediante el proceso “living

polymerization”.17

Figura 8. Esquema de polimerización de un PPA

Dependiendo de la naturaleza del monómero de partida, el sentido de giro de la hélice

en el polímero generado se ve alterado. Así, si el monómero de partida es aquiral, el polímero

generado adopta ambos sentidos de giro durante su síntesis, dando lugar a un polímero

racémico. De modo que un estímulo externo, capaz de interaccionar con los “pendant” del

polímero, inducirá un sentido helicoidal preferente de modo que un estímulo externo

inducirá un sentido helicoidal preferente al interaccionar con el “pendant”.18

Por otro lado, si se parte de un monómero quiral con una conformación mayoritaria

en disolución, el polímero adoptará un sentido de hélice predominante durante la síntesis. La

inversión de la helicidad una vez formado el polímero se puede lograr con la aplicación de

estímulos externos (polaridad del disolvente, pH, luz, cationes metálicos, etc).19

17 Hirao, K.; Ishii, Y.; Terao, T.; Kishimoto, Y.; Miyatake, T.; Ikariya, T.; Noyori, R. Macormolecules,

1998, 31, 3405-3408.

18 Maeda, K.; Morino, K; Okamoto, Y.; Sato, T.; Yashima, E. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 4329.

19 Percec, V.; Rudick, J. G.; Wagner, M.; Obata, M.; Mitchell, C. M.; Cho. W-D.; Balagurusamy, V. S.

K.; Heiney, P. A. J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 19374.

INTRODUCCIÓN

11

2.4 POLI(FENILACETILENO)S, ESTRUCTURA SECUNDARIA

Es necesario conocer la estructura secundaria de un polímero, pues esta se antoja

clave para la comprensión del mecanismo de formación de la hélice y la correlación existente

entre estructura y propiedades. Para conocer la estructura secundaria es necesario combinar

la información que se puede obtener a partir de diversas técnicas, estas se resumen en:

• Análisis espectroscópico: Resonancia Magnética Nuclear (RMN), Dicroísmo

Circular (CD), Ultravioleta-Visible (UV-Vis), Rotación Óptica,

Espectroscopía de Absorción, etc.

• Métodos de difracción: Difracción de Rayos-X, Dispersión de Rayos X…

• Microscopía: Microscopía de Fuerza Atómica (AFM), Microscopía

Electrónica de Barrido (SEM), Microscopía Electrónica de Transmisión

(TEM), etc.

• Análisis térmico: Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC) y Análisis

Termogravimétrico (TGA).

• Cálculos computacionales: Mecánica Molecular (MM).

Mediante la combinación de la información obtenida con estas técnicas, se puede

determinar la estructura del polímero, así mediante RMN de 1H se obtiene información sobre

la configuración de los dobles enlaces (mediante la resonancia del protón vinílico en PPAs).20

De la técnica de rayos X se obtienen datos sobre la distancia entre “pendants”, el paso de la

hélice, etc. A través de los estudios de DSC se puede determinar si la estructura del polímero

es cis-cisoide (ángulo del plano diedro entre dobles enlaces consecutivos (< 90º)) o cis-transoide

(> 90º) (Figura 9-a). La técnica de AFM de una monocapa de polímero da información

estructural (anchura de las cadenas del polímero y paso de hélice) y datos sobre el sentido de

giro de la hélice (Figura 9-b). La combinación de AFM y MM permite generar un modelo 3D

de la estructura secundaria de la hélice (Figura 9-c) y dicho modelo se puede correlacionar

con los datos del espectro de CD (Figura 9-d), asociando con ello el sentido de giro con el

signo del efecto Cotton. La espectroscopia UV-Vis permite conocer la elongación de la

cadena del polieno en comparación con otras hélices en PPAs, el resto de técnicas citadas al

20 Simionescu, C. I.; Percec, V.; Dumitrescu, S. J. Polym. Sci., Polym. Chem. Ed. 1977, 15, 2497-2509.

INTRODUCCIÓN

12

inicio, así como otras no incluidas en esta lista proporcionan información adicional para la

determinación de la estructura del polímero.

Figura 9. a) Estudios de DSC, b) imagen de AFM, c) Modelo obtenido mediante Mecánica

Molecular de un polímero y d) espectro de CD

60º packing angle

helicalpitch

3,2 nm

INTRODUCCIÓN

13

2.5 PROPIEDADES DE LOS (POLIFENILACETILENO)S

El control del sentido de giro y la elongación de los PPAs tiene prometedoras

aplicaciones en el desarrollo de sistemas que actúan como sensores quirales (aplicación como

fases estacionarias quirales en HPLC y como catalizadores asimétricos), como sistemas de

almacenamiento, etc. Las propiedades de los polímeros helicoidales están relacionadas con

el sentido helicoidal y el grado de extensión/compresión de la cadena polimérica.

2.5.1 INVERSIÓN DE LA HELICIDAD

Si un PPA presenta un exceso de helicidad de partida (CD activo), la aplicación de

estímulos externos permite invertir el sentido de la helicidad. Esta inversión del sentido de

giro puede lograrse mediante cambios de temperatura, polaridad del disolvente,21 irradición

con luz, adición de especies aniónicas,22 iones metálicos23 o aditivos quirales.24

2.5.2 INDUCCIÓN DE LA HELICIDAD

En polímeros helicoidales ópticamente inactivos en la región vinílica (proporción 1:1

de las hélices levógira y dextrógira, lo cual supone un CD nulo), puede inducirse un sentido

helicoidal específico mediante la adición de compuestos quirales, debido a la formación de

interacciones supramolecuras específicas y/o covalentes9 en el complejo generado.25

21 Maeda, K.; Kamiya, N.; Yashima, E. Chem. Eur, J. 2004, 10, 4000-4010.

22 Kakuchi, R.; Shimada, R.; Tago, Y.; Sakai, R.; Satoh, T.; Kakuchi, T. J. Polym. Sci., Part A: Polym.

Chem. 2010, 48, 1683-1689.

23 Otsuka, I.; Sakai, R. Satoh, T.; Kakuchi, R.; Kaga, H.; Kakuchi, T. J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem.

2005, 43, 5855-5863.

24 Maeda, K.; Mochizuki, H.; Watanabe, M.; Yashima, E. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 763-765.

25 Hase, Y.; Nagai, K.; Iida, H.; Maeda, K.; Ochi, N.; Sawabe, K.; Sakajiri, K.; Okoshi, K.; Yashima,

E. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 10719-10732.

INTRODUCCIÓN

14

2.5.3 EFECTO MEMORIA EN LA QUIRALIDAD HELICOIDAL

La inducción de la quiralidad en PPAs es una propiedad dinámica que desaparece al

retirar el inductor quiral. Pese a ello, en algunos PPAs se ha observado helicidad inducida

por aminas ópticamente activas.26 Con la adición de una amina ópticamente activa se genera

un complejo supramolecular (interacción amina-polímero) que genera un sentido helicoidal

predominante dependiente de la configuración de la amina añadida. Tras intercambiar la

amina quiral por una aquiral, el polímero mantiene una configuración helicoidal

predominante debido a las interacciones electrostáticas repulsivas entre las cargas negativas

de los “pendant” del polímero y las cargas opuestas de las aminas que previenen la variación

de la conformación helicoidal.

2.5.4 AMPLIFICACIÓN DE LA HELICIDAD

Si un PPA presenta una unidad monomérica aquiral, lo que supone cadenas

poliméricas con una proporción 1:1 de hélices levógira y dextrógira (CD nulo), la adición de

un estímulo externo da lugar a la formación de un complejo supramolecular, el cual, induce

un sentido de giro predominante (CD activo).

Alternativamente en polímeros con un “pendant” quiral en un equilibrio

conformacional igualmente poblado entre ambas hélices, la adición de estímulos aquirales,

iones metálicos, permite amplificar la helicidad.

26 Yashima, E.; Maeda, K.; Okamoto, Y. Nature 1999, 399,449-451.

INTRODUCCIÓN

15

2.6 REACTIVIDAD DEL ESQUELETO POLIÉNICO

Los PPAs con estructura poliénica cis-transoide y cis-cisoide han sido ampliamente

estudiados, por ello se han desarrollado diversos métodos de síntesis de estas estructuras

poliméricas helicoidales, lo que ha permitido estudiar su estabilidad y degradación.

2.6.1 REACTIVIDAD TÉRMICA

Los PPAs son polímeros termosensibles y pueden sufrir procesos de isomerización

cis-trans que dan lugar a estructuras planas no helicoidales.

Percec y colaboradores demostraron que PPAs con configuración cis-transoides sufren

una disminución del peso molecular y del contenido cis de dobles enlaces. Esto es debido a

una degradación con el tiempo una vez disueltos en CHCl3.27

Esta degradación de la estructura polimérica se debe a una ciclación intramolecular

que transcurre a través de un mecanismo de electrociclación con formación de 1,3,5-

trifenilbenceno (Figura 10-a) a partir de la cadena polimérica helicoidal. Se ha propuesto que

el mecanismo para la reacción en estado sólido y en disolución es el mismo. Además, esta

reacción puede ralentizarse si se realiza a vacío, o en atmosfera inerte, y acelerarse con el

incremento de la temperatura, especialmente al alcanzarse los 100 ºC.27, 28

Los procesos de isomerización cis-trans, que conducen a estructuras planas no

helicoidales, se dan mediante un mecanismo radicalario y pueden activarse mediante un

aumento de la temperatura, de la presión o aplicación de un campo eléctrico (Figura 10-b).29

27 Percec, V.; Rudick, J.; Nomber, P.; Buchowicz, W. J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 2002, 40, 3212-

3220.

28 Percec, V.; Rudick, J. G. Macromolecules 2005, 38, 7241-7250.

29 Miyasaka, A.; Mawatari, Y.; Sone, T.; Tabata, M. Polym. Degrad. Stab. 2007, 92, 253-259.

INTRODUCCIÓN

16

Figura 10. a) Degradación térmica intramolecular con formación de 1,3,5-

trifenilbenceno (en rojo). b) Isomerización cis-trans inducida por presión

INTRODUCCIÓN

17

2.6.2 REACTIVIDAD CON LUZ

Mientras la degradación térmica de PPAs genera varios productos de degradación,27,28

la degradación fotoquímica es selectivida en la formación de 1,3,5-trifenilbencenos

sustituidos. En condiciones óptimas, puede llegar a alcanzarse el 100 % de selectividad en la

formación de estos ciclotrímeros, bencenos 1,3,5-trisustituidos.30

La degradación lumínica de polienos π-conjugados tiene lugar mediante una reacción

altamente selectiva que conduce a 1,3,5-trifenilbencenos sustituidos. La reacción se

caracteriza por:

• Ocurrir mediante un proceso intramolecular que engloba a tres unidades de

monómero adyacentes en la macromolécula.

• Solo tiene lugar en estado sólido.

• Bajo condiciones óptimas de luz, temperatura, longitud de onda de emisión

y aplicación de atmosfera inerte se puede lograr una selectividad del 100%.

• La conversión es fuertemente dependiente de la configuración y

conformación de los sustratos poliméricos de partida, es por ello una reacción

estereoespecífica y topoquímica.

• Ocurre mediante la aplicación de luz visible en ausencia de calentamiento.

Debido a las limitaciones respecto a la configuración y conformación se requiere una

estructura helicoidal compacta para que la reacción tenga lugar, por ello, en PPAs con

estructura c-t o t-c la fotocicloadición no tiene lugar. La reacción requiere una conformación

c-c con una paso helicoidal y ángulos diedros que generen una hélice con una distancia menor

de 4.0 Ǻ entre los carbonos que formarán el enlace covalente en la reacción.

El mecanismo de la reacción consta de dos etapas, el primer paso es una

electrociclación 6π seguida de una aromatización con degradación. El primer paso es

determinante de la reacción, la electrociclación fotoquímica ocurre en los extremos del PPA

como consecuencia de la mayor reactividad, proveniente de la menor distancia entre los

carbonos que formarán el enlace covalente. La necesidad de la iniciación de la reacción por

30 Liu, L.; Namikoshi, T.; Zang, Y.; Aoki, T.; Hadano, S.; Abe, Y.; Wasuzu, I.; Tsutsuba, T.; Teraguchi,

M.; Kaneko, T. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135(2), 602-605.

INTRODUCCIÓN

18

los extremos del polímero justifica la falta de reactividad mostrada por los PPAs en

disolución debido a la mayor flexibilidad de los extremos de las cadenas poliméricas en

disolución.

La electrociclación 6π fotoquímica ocurre mediante un mecanismo disrotatorio

(Figura 11-a), mientras la electrociclación 6π térmica tiene lugar mediante un cierre de anillo

conrotatorio. Por ello, la probabilidad de que el primer paso ocurra mediante calentamiento

es escasa dado que uno de los dos sustituyentes en los dos carbonos que se unen en la

reacción electrocíclica, es una cadena polimérica que genera una elevada repulsión estérica

favoreciendo con ello el mecanismo disrotatorio.30

La aromatización, paso 2, es más favorable que la reacción térmica una vez se ha

producido la fotocicloadición (Figura 11-b).31

Figura 11. a) Electrociclación 6π disrotatoria fotocalizada.

b) Aromatización intramolecular en cascada

31 Srinivasan, R. J. Am. Chem. Soc. 1960, 82, 5063.

OBJETIVOS Y PLANTEAMIENTO

19

3. OBJETIVOS Y PLANTEAMIENTO

3.1 OBJETIVOS

Como se ha descrito previamente, es necesario conocer la estructura secundaria de

un polímero, pues esta se antoja clave para la comprensión del mecanismo de formación de

la hélice y la correlación existente entre estructura y propiedades. Para ello, se combina la

información que se puede obtener a partir de diversas técnicas, principalmente DSC y AFM.

En ocasiones, la información resultante de estos estudios puede no ser lo

suficientemente concisa para determinar con exactitud la estructura de algunos PPAs. Por

ello, las propiedades de reactividad fotoquímica de estos polímeros pueden aplicarse como

una nueva y alternativa técnica para conocer con mayor exactitud la estructura secundaria de

ciertos PPAs más difíciles de clasificar.

Liu y colaboradores,30 determinaron que la fotocicloadición no tiene lugar en PPAs

con estructura c-t o t-s, solo aquellos PPAs con estructura c-c y una distancia menor de 4.0 Ǻ

entre los carbonos que formarán el enlace covalente en la reacción son susceptibles de sufrir

esta reacción. Esta reactividad, altamente selectiva, puede utilizarse para distinguir PPAs con

estructura c-c de aquellos que adopten estructura c-t o t-c.

Aplicando esta información y utilizando PPAs cuya estructura helicoidal ha sido

previamente caracterizada por nuestro grupo de investigación. Este proyecto tiene como

objetivo estudiar la reactividad fotoquímica en un grupo de cinco PPAs, a fin de determinar

si la irradiación de estos polímeros genera sus correspondientes ciclotrímeros sustituidos.

Los resultados obtenidos también permitirán relacionar la reactividad fotoquímica con la

estructura del PPA.

OBJETIVOS Y PLANTEAMIENTO

20

3.2 PLANTEAMIENTO

Con el fin de llevar a cabo los objetivos planteados, se sintetizarán los polímeros poli-

(S)-1, poli-(S)-2, poli-(S)-3, poli-(R)-4 y poli-(R)-5 a partir sus correspondientes monómeros

(S)-1, (S)-2, (S)-3, (R)-4 y (R)-5 posterior polimerización empleando como catalizador

[Rh(nbd)Cl]2. El método de síntesis de estos compuestos se detalla en el apartado 5.

Los polímeros poli-(S)-1, poli-(S)-2 y poli-(S)-3 corresponden al p-MPA, m-MPA y o-

MPA (MPA: ácido α-metoxifenilacético) los cuales por su diferente sustitución en el anillo

bencénico adoptan diferentes estructuras c-c (p-MPA), mezcla c-c y c-t (o-MPA) y c-t (o-MPA).

El polímero poli-(R)-4 corresponde al p-MTPA (MTPA: ácido-α-

metoxitrifluorofenilacético), que posee de un aceptor fuerte (trifluorometil) en combinación

con el enlace amida proporciona una estabilidad adicional al confórmero cis, haciendo posible

modular el equilibrio cis/trans- a través de las propiedades dadoras o no dadoras del

disolvente, obteniendo así un polímero con estructura c-c, en disolventes como CHCl3, o c-t,

en disolventes como THF.32

El polímero poli-(R)-5 corresponde a la p-FGME (FGME: fenilglicina metil ester),

adopta una estructura c-t pero con una hélice más compacta que en el caso del poli-(S)-3.

Una vez sintetizados los polímeros, se prepararán muestras de los mismos en fase

sólida para su irradiación, por “spin coating” y “drop casting”. Las muestras de “spin coating”, se

irradiarán a distintos tiempos siguiendo el avance de la reacción cualitativamente mediante

CD y UV-Vis a fin de determinar los tiempos de irradiación necesarios para conseguir una

reacción cuantitativa.

Finalmente se caracterizarán los productos de reacción mediante la irradiación de las

muestras preparadas por “drop casting”. Así, con los datos obtenidos para los productos de

fotocicloadición de cada uno de los polímeros, sus respectivos tiempos de irradiación y los

datos estructurales de los polímeros se evaluará la capacidad de la reacción para aplicarse en

la determinación de la estructura poliénica de un PPA.

32 Leiras, S.; Freire, F.; Seco, J. M.; Quiñoá, E.; Riguera, R. Chem. Sci., 2013, 4, 2735-2743.

DISCUSIÓN DE RESULTADOS

21

4. DISCUSIÓN DE RESULTADOS

La discusión de resultados se estructura en dos bloques (la síntesis previa de los

monómeros y los polímeros se detalla en el apartado 6).

• Preparación de muestras de los polímeros poli-(S)-1, poli-(S)-2, poli-(S)-3,

poli-(R)-4 y poli-(R)-5 por “sping coating”. Seguimiento de la reacción mediante

CD y UV-Vis y posterior preparación de muestras por “drop casting” para la

caracterización de los productos.

• Estudio de los resultados de la caracterización de los productos mediante

espectrometía de masas (MS), CD, UV-Vis, GPC, RMN, MM y Raman

combinados con, los tiempos de irradiación y los datos estructurales de los

polímeros.

4.1 PREPARACIÓN DE LAS MUESTRAS

Las muestras se prepararon a partir de los polímeros poli-(S)-1, poli-(S)-2, poli-(S)-3,

poli-(R)-4 y poli-(R)-5, sintetizados siguiendo el procedimiento general de polimerización

descrito en el apartado 6.2.4.

Las muestras de “spin coating” (esquema 1-a), se prepararon a partir de disoluciones

en CHCl3 y THF, de 5 mg/mL y 10 mg/mL, depositando 150 μL en cada adición.

Las muestras de “drop casting” (esquema 1-b), se prepararon a partir de 1.0 mL de

disoluciones de 10 mg/mL en CHCl3, diluidas con 2.5 mL de CHCl3, para los polímeros poli-

(S)-1, poli-(S)-2, poli-(R)-4 y poli-(R)-5. Se adicionan 3.5 mL de disolución final, se deja secar

al aire y se realiza una segunda adición de 3.5 mL.

Esquema 1. Métodos de deposición de muestras, a) “spin coating” y b) “drop casting”


22

4.2 ESTUDIO DE LA REACCIÓN

Se ha observado que la degradación fotoquímica no ocurre en disolución, solo tiene

lugar en fase sólida y mediante la aplicación de luz visible. Todas las reacciones se llevaron a

cabo a temperatura ambiente.

El seguimiento de la reacción se llevó a cabo mediante espectrofotometría UV-Vis.

En donde, se observa la desaparición de la banda de absorción debida a la estructura

secundaria del PPA. Adicionalmente se corrobora esta información con la desaparición de la

coloración de las muestras, obteniéndose films transparentes.

Figura 12. Estudio de UV-Vis e imágenes en estado sólido de poli-(S)-1 antes y después de la

irradiación con luz



(n m )

Ab

s

2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0

0 .5

1 .0

1 .5

P o li- (S ) -1

h

(n m

Ab

s

2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0

0 .5

1 .0

1 .5

2 .0

2 .5

P o li- (S ) -2

h


23



Figura 15. Estudio de UV-Vis e imágenes en estado sólido de poli-(R)-4 antes y después de la


Figura 16. Estudio de UV-Vis e imágenes en estado sólido de poli-(R)-5 antes y después de la


(n m

Ab

s

2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0

0 .5

1 .0

1 .5

P o li- (R ) -4

h

(n m

Ab

s

2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0

0 .5

1 .0

1 .5

P o li- (R ) -5

h

(n m )

Ab

s

3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0 5 5 0 6 0 0 6 5 0

0 .5

1 .0

1 .5

P o li- (S ) -3

h


24

Para evaluar los tiempos de reacción, se realizaron, experimentos a distintos tiempos

a muestras preparadas por “spin coating”, 150 μL en cada adición, de disoluciones de

5 mg/mL, poli-(S)-1 y poli-(S)-3, y 10 mg/mL, poli-(S)-2, poli-(R)-4 y poli-(R)-5 en CHCl3,

irradiandose las muestras en las mismas condiciones de intensidad de luz y a temperatura

ambiente.

Tras 50 minutos de irradiación, se pudo observar que poli-(R)-4 se degrada

completamente. Mientras que poli-(S)-2 necesita un tiempo de 60 min para completar la

degradación.

Tras 90 min de irradiación poli-(S)-1 se degrada completamente. Por otro lado, tras

4 horas de irradiación, poli-(R)-5 se degrada completamente y tras 40 horas de irradiación

poli-(S)-3.

Los polímeros, poli-(S)-1, poli-(S)-2, poli-(R)-4 y poli-(R)-5, se irradiaron en las

mismas condiciones, empleando un disolvente de tipo dador, THF, para preparar las

muestras. En estas condiciones, la degradación también tiene lugar, los tiempos de reacción

se analizaron para poli-(S)-2 y poli-(R)-4, obteniéndose para poli-(S)-2 proporcionaba los

mismos resultados, mientras que poli-(R)-4 pasa a necesitar horas para completar la reacción.

El seguimiento de la reacción se realizó adicionalmente mediante CD.

Figura 17. Espectros de CD de poli-(S)-2 y poli-(R)-4, muestras en THF

(n m )

CD

[md

eg

]

3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0

-4

-2

0

2

4

6

P o li- (S ) -2

h

(n m )

CD

[md

eg

]

3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0

-2 0

-1 0

0

1 0

2 0

3 0

4 0

P o li- (R ) -4

h


25

4.3 CARACTERIZACIÓN Y RESULTADOS

Los experimentos realizados mediante la técnica de deposición “spin coating”,

demostraron que los cinco PPAs estudiados sufren procesos de degradación fotoquímica

independientemente de su estructura, c-c o c-t. Los productos de degradación se estudiaron

mediante la preparación de muestras por la técnica de deposición “drop casting”. La irradación

y caracterización de los productos mediante MS, CD, UV-Vis, GPC, RMN, MM y Raman se

realizó para deteminar la aparición de los ciclotrímeros esperados, bencenos 1,3,5-

trisustituidos.

Los resultados se muestran de forma conjunta con información estructural

(conformación, paso de hélice y ángulo de empaquetamiento) y de reactividad de los

polímeros poli-(S)-1, poli-(S)-2, poli-(S)-3, poli-(R)-4 y poli-(R)-5 proporcionada por estudios

previos del grupo de investigación.32, 33, 34 Con ello, se demostró que existe una correlación

entre los tiempos de reacción de la degradación fotoquímica y la estructura del esqueleto

poliénico del PPA.

Si bien, se debe tener en cuenta que los tiempos de reacción de la degradación

fotoquímica varían al modificar las condiciones de reacción. Por ello, se utilizaron los

tiempos obtenidos para las muestras estudiadas mediante “spin coating” (sección 4.2), ya que

la velocidad de reacción depende fuertemente del espesor de la muestra y las muestras

preparadas mediante esta técnica son más homogéneas que las utilizadas para la

caracterización.

33 Rodríguez, R.; Quiñoá, E.; Riguera, R.; Freire, F. J. Am. Chem. Soc., 2016, 138(30), 9620–9628.

34 Louzao, I.; Seco, J. M.; Quiñoá, E.; Riguera, R. Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49(8), 1430-1433.


26

4.3.1 Poli-(S)-1

Figura 18. Caracterización de poli-(S)-1 y su ciclotrímero. a) Modelo 3D de la estructura e imagen de

AFM de la hélice dextrógira, b) modelo 3D de la estructura e imagen de AFM de la hélice levógira,

c) espectro de UV-Vis, d) espectros de Raman, e) cromatograma de GPC.

Poli-(S)-1 presenta una estructura helicoidal dinámica en disolución con igual

proporción de ambas hélices (CD nulo). En estado sólido, la imagen de AFM (Figura 18-a)

muestra que el polímero adopta hélices levógira y dextrógira, que se encuentran en regiones

independientes formando dominios enantioméricos de cadenas helicoidales dextrógiras y

levógiras.

Las imagen de la Figura 18-a muestra que poli-(S)-1 presenta dos hélices coaxiles,

externas (definidas por los “pendants”) e internas (definidas por el esqueleto poliénico

(π-conjugado)), con sus respectivos sentidos helicoidales que pueden ser coincidentes o no.

Esta propiedad es una característica intrínseca de todos los PPAs helicoidales.

La hélice interna define la estructura del esqueleto de polienos π-conjugados. Por ello,

de la estructura helicoidal interna depende la reactividad fotoquímica del polímero y nos

referiremos únicamente a la hélice interna en este trabajo.


27

Ambas hélices internas, levógira y dextrógira, presentan una estructura helicoidal

compacta con un paso helicoidal de 3.2 nm y tres residuos por vuelta. Adoptando un

esqueleto cis-cisoide (60º), con ángulos de empaquetamiento de 60º.33

Ambas hélices internas presentan una estructura compacta debido a su bajo paso

helicoidal y sus ángulos diedros. Por lo tanto, la cicloadición está favorecida y se obtiene a

bajos tiempos de reacción, 90 min en CHCl3, como cabría esperar para una estructura cis-

cisoide.

Figura 19. Espectro de RMN de 1H del ciclotrímero formado a partir de poli-(S)-1

A partir de estudios de espectrometría de masas (ESI) se obtuvieron los siguientes

fragmentos característicos del ciclotrimero de poli-(S)-1.

Masa esperada (m/z): 795.33

Resultados (m/z): 795.55 (+1), 576.50 (+1), 548.46 (+1), 375.20 (+1).


28

4.3.2 Poli-(S)-2

Figura 20. Caracterización de poli-(S)-2 y su ciclotrímero. a) Modelo 3D de la estructura e imagen

de AFM de la hélice compacta (cis-cisoide), b) modelo 3D de la estructura e imagen de AFM de la hélice

estirada (cis-transoide), c) espectro de CD en CHCl3, d) espectro de CD en THF, e) espectro de UV-

Vis, f) espectros de Raman, g) cromatograma de GPC.

Poli-(S)-2 presenta un empaquetamiento mixto. La imagen de AFM muestra que en

estado sólido coexisten las hélices comprimidas (Figura 20-a) y las estiradas (Figura 20-b).

Las hélices se ordenan paralelamente en regiones independientes, no coexistiendo hélices

comprimidas y estiradas en la misma región.

La hélice comprimida, dextrógira, presenta un paso helicoidal de 3.2 nm y 3 residuos

por vuelta. Corresponde a una estructura cis-cisoide (+60º) con ángulos de empaquetamiento

de 60º. Por otro lado, la hélice estirada, dextrógira, presenta un paso helicoidal de 5.3 nm y

2 residuos por vuelta. Adoptando una hélice cis-transoide (+160º) con ángulos de

empaquetamiento de 40º.33,34


29

La hélice compacta, con conformación cis-cisoide, con un paso helicoidal de 3.2 nm

y ángulos diedros de 60º es similar a las hélices descritas para poli-(S)-1 y se esperaría una

reactividad similar. La proporción de hélice estirada con un paso helicoidal de 5.3 nm se

esperaría que no sufriese reacción, pues adopta una configuración cis-transoide. Sin embargo,

se produce una degradación completa de la muestra debido a la existencia de un equilibrio

c-t/c-c en fase sólida (Figura 21). Este se desplaza hacia la forma c-c a medida que esta última

sufre la fotodegradación.

Se obtuvieron los mismos resultados en muestras preparadas a partir de disoluciones

de THF. La polaridad del disolvente no modifica la estructura helicoidal de poli-(S)-2, por lo

tanto, no se modifica la reactividad fotoquímica.

Figura 21. Desplazamiento del equilibrio c-c/c-t catalizado por luz

Figura 22. Espectro de RMN de 1H del ciclotrímero formado a partir de poli-(S)-2


fragmentos característicos del ciclotrímero de poli-(S)-2.


Resultados (m/z): 576.50 (+1), 548.46 (+1), 375.20 (+1).


30

4.3.3 Poli-(R)-4

Figura 23. Caracterización de poli-(R)-4 y su ciclotrímero. a) Modelo 3D de la estructura e imagen

de AFM de la hélice levógira, b) Modelo 3D de la estructura e imagen de AFM de la hélice dextrógira,

c) espectro de CD en CHCl3, d) espectro de CD en THF, e) espectro de UV-Vis, f) espectros de

Raman, g) cromatograma de GPC.

Poli-(R)-4 puede encontrarse en configuración cis-cisoide (Figura 23-a) o cis-transoide

(Figura 23-b) en disolución, ya que a través de las propiedades dadoras o no dadoras del

disolvente que permiten modular el equilibro cis/trans-, se obtiene un polímero con estructura

helicoidal c-c, en disolventes como CHCl3, o c-t, en disolventes como THF. Los films

preparados mediante la técnica de deposición “spin coating”, presentan la misma capacidad de

respuesta ante las propiedades dadoras o no dadoras del disolvente.32

La imagen de AFM (Figura 23-a) muestra que en disolventes menos dadores, como

CHCl3, el esqueleto poliénico adopta una hélice levógira con configuración cis-cisoide (+70),

con un paso helicoidal de 3 nm y ángulos de empaquetamiento de 50º.


31

En disolventes más dadores, como THF, la hélice invierte el sentido helicoidal

adoptando una hélice levógira más extensa. Presenta un paso helicoidal de 3.9 nm y ángulos

de empaquetamiento de 40º, correspondientes a una configuración cis-transoide (-160º).

Las muestras preparadas a partir de disoluciones de CHCl3, donde poli-(S)-4 adopta

la hélice más compacta de todos los polímeros estudiados obtienen los menores tiempos de

irradiación. Esto vuelve a confirmar que estructuras helicoidales más compactas son más

reactivas ante la fotocicloadición. Por otro lado, en los resultados obtenidos para las muestras

preparadas en THF se produce un aumento significativo del tiempo de reacción. La

interconversión de la configuración c-t a c-c (Figura 21), ocurre mediante una isomerización

de la amida de estructura cis a trans. Con ello, se genera un polieno con estructura cis-cisoide,

cuya fotociclación es más favorable.

Figura 24. Espectro de RMN de 1H y 19F del ciclotrímero formado a partir de poli-(R)-4


fragmentos característicos del ciclotrimero de poli-(R)-4.


Resultados (m/z): 747.37 (+1), 537.24 (+1), 375.20 (+1).


32

4.3.4 Poli-(R)-5

Figura 25. Caracterización de poli-(R)-5 y su ciclotrímero. a) Modelo 3D de la estructura e imagen

de AFM de la hélice, b) espectro de UV-Vis, c) espectro de Raman, d) espectro de CD,

e) cromatograma de GPC.

La imagen de AFM (Figura 25-a) muestra que Poli-(R)-5 presenta un paso helicoidal

de 3.8 nm con dos residuos por vuelta. Adoptando un único sentido helicoidal, detrógiro,

con una hélice cis-transoide (-158º) con ángulos de empaquetamiento de 40º.33

Poli-(R)-5 a diferencia de poli-(S)-2 y poli-(R)-4 únicamente presenta una

configuración cis-transoide. Por ello, a través de su degradación fotoquímica podemos

confirmar que en polienos con esta configuración la fotocicloadición tiene lugar. Puesto que

no existe la posibilidad de que la reacción transcurra mediante el desplazamiento de un

equilibrio cis/trans-, que pueda desplazarse en dirección a la configuración cis-cisoide a medida

que transcurra la reacción.


33

Figura 26. Espectro de RMN de 1H del ciclotrímero formado a partir de poli-(R)-5


fragmentos característicos del ciclotrimero de poli-(R)-5.


Resultados (m/z): 675.19 (+1), 548.46 (+1), 375.20 (+1).


34

4.3.5 Poli-(S)-3

Figura 27. Caracterización de poli-(S)-3 y su ciclotrímero. a) Modelo 3D de la estructura e imagen

de AFM de la hélice, b) espectro de UV-Vis, c) cromatograma de GPC.

A partir de estudios de espectrometría de masas (ESI) se

obtuvieron los siguientes fragmentos característicos del

ciclotrimero de poli-(S)-3.


Resultados (m/z): 663.46 (+1), 576.24 (+1), 375.20 (+1).

Figura 28. Estructura del ciclotrímero de poli-(S)-3

La imagen de AFM (Figura 27-a) muestran que poli-(S)-3 forma fibras helicoidales

con un sentido helicoidal preferente. Posee un paso helicoidal de 13 nm y ángulos de

empaquetamiento de 40º. Sus diámetros oscilan entre 6 y 15 nm y su altura corresponde al

diámetro de la cadena, 2 nm. Los datos estructurales concuerdan con una configuración cis-

transoide (+175º), donde las hélices interna y externa tienen sentidos helicoidales opuestos

generando una estructura casi plana.33


35

Se esperaba que los polímeros con configuración cis-transoide no sufrieran

fotocicloadición. Sin embargo, los resultados obtenidos para poli-(S)-2, poli-(S)-4 y

poli-(S)-5 demuestran que la reacción si ocurre, pero se produce una disminución de la

velocidad de reacción al aumentar la elongación de la estructura helicoidal.

Poli-(S)-3 adopta una estructura helicoidal que difiere significativamente del resto de

polímeros estudiados debido a su elevada elongación de la cadena. Su configuración cis-

transoide posee un paso de hélice de 13 nm, comparativamente poli-(R)-5, que también adopta

únicamente un esqueleto poliénico cis-transoide, posee un paso de hélice de 3.8 nm. Los

resultados de la irradiación de poli-(S)-3 muestran que si sufre degradación fotoquímica, en

consonancia con los resultados obtenidos para poli-(S)-2, poli-(R)-4 y poli-(R)-5. Del mismo

modo, el contraste de los tiempos de irradiación reportados para poli-(S)-1, que únicamente

posee hélice cis-cisoide, y la configuración cis-cisoide de poli-(R)-4 corroboran la elevada

dependencia de la cinética de reacción de la estructura. Confirmando que la reacción es

sensible a la configuración y los cambios conformacionales de los PPAs siendo aplicable a la

determinación de la estructura helicoidal de estos.

CONCLUSIONES

36

5. CONCLUSIONES

• Castellano:

Los resultados obtenidos para los cinco polímeros estudiados demuestran que las

conformaciones helicoidales que poseen estos polímeros, cis-cisoide y cis-transoide, y su grado

de compresión/elongación afectan a la cinética de la degradación fotoquímica. Con esto, se

puede confirmar que el tiempo de reacción está fuertemente afectado por la estructura

helicoidal. Así, los diferentes tiempos de reacción para los cinco polímeros estudiados varían

en función de la estructura, confirmando que se puede aplicar esta reacción para la

determinación de la estructura helicoidal de un polímero. Siendo esta técnica especialmente

útil cuando otras proporcionan resultados imprecisos.

Adicionalmente, de forma contraria a lo esperado, se ha demostrado que polienos

con configuración cis-transoide sufren degradación fotoquímica, incluso si presentan una

estructura helicoidal muy estirada.

Para concluir, se ha llevado a cabo la caracterización de los cinco productos de

cicloadición, confirmándose la desaparición del esqueleto poliénico y la formación de

bencenos 1,3,5-trisustituidos, característicos de la fotocicloadición.

• Galego:

Os resultados obtidos para os cinco polímeros estudados demostraron que as

conformaciones helicoidais que posuen estos polímeros, cis-cisoide e cis-transoide, e o seu grao

de compresión/elongación afectan a cinética da degradación fotoquímica. Con isto, podese

confirmar que o tiempo de reacción está fortemente afectado pola estrutura helicoidal. Así,

os diferentes tempos de reacción para os cinco polímeros estudados varían en función da

estrutura, confirmando que se pode aplicar esta reacción para a determinación da estrutura

helicoidal dun polímero. Sendo esta técnica especialmente últil cando outras proporcionan

resultados imprecisos.

Adicionalmente, de forma contraria o esperado, demostrouse que polienos con

configuración cis-transoide sufren degradación fotoquímica, incluso se presentan unha

estructura helicoidal moi estirada.

CONCLUSIONES

37

Para concluir, levouse a cabo a caracterización dos cinco produtos de cicloadición,

confirmándose a desaparición do esqueleto poliénico e a formación de bencenos 1,3,5-

trisustituidos, característicos da fotocicloadición.

• English:

The results obtained for the five polymers studied in this work, demonstrated that

the helical conformation present in the polymer skeleton (c-c/c-t) and consequently the degree

of streching of the polymer scaffold affect directly to the photochemical degradation.

Moreover, these studies confirmed how the reaction time for the photcyclization is

strongly dependent of the helical structure of the polymer..

This protocol can be used as a simple, fast and cheap method to distinguish between

c-c and c-t polyene bacbone when other techniques cant afford unequivoque information

about this configuration.

.

PARTE EXPERIMENTAL

38

6. PARTE EXPERIMENTAL

6.1 CONDICIONES DE TRABAJO EN EL LABORATORIO

Todas las reacciones se llevaron a cabo bajo atmósfera inerte (Ar) utilizando

disolventes de alta calidad, secados mediante destilación sobre un agente desecante adecuado,

inmediatamente antes de su uso. Como agente desecante se utilizó CaH2 para CH2Cl2 y Et3N

o Na/benzodenoda para THF.

Los espectros de RMN de 1H, 13C y 19F se realizaron en espectrómetos Varian

Mercury 300 o Varian Inova 500, utilizando como disolvente CDCl3, THF o acetona

deuterada. En los desplazamientos químicos se referencia la señal del TMS (0 ppm).

Los espectros de CD se registraron en un espectropolarímetros Jasco 720 (240-500

nm). Las muestras utilizadas para estos experimentes eran disoluciones de CHCl3 y THF de

concentraciones entre 0.1 mg/mL y 0.5 mg/mL y films preparados mediante “spin coating”

depositando las muestras en un portaobjetos, a partir de disoluciones de CHCl3 y THF de 5

mg/mL y 10 mg/mL.

Los espectros de UV-Vis se registraron en un espectrofotómetro Jasco V-630 con

un intervalo de longitud de onda entre 220 y 650 nm. Las muestras utilizadas para estos

experimentes eran disoluciones de CHCl3 y THF de concentraciones entre 0.1 mg/mL y 0.5

mg/mL y films preparados mediante “spin coating” a partir de disoluciones de CHCl3 y THF

de 5 mg/mL y 10 mg/mL.

Los espectros de Raman se realizaron en un espectrómetro Invia Reflex, equipado

con dos láseres (laser de diodo de 785 nm y laser de Ar de 514 nm).

Los cromatogramas de GPC se realizaron en un Waters Alliance equipado con

columnas Phenomenex GPC. Las muestras utilizadas eran disoluciones de 0.3 mg/mL en

THF.

La irradiación de las muestras se llevó a cabo con un equipo Max 303, aplicando luz

luz visible en distintas condiciones de intensidad y tiempo. Las muestras se prepararon

mediante “spin coating” y “drop casting” a partir de disoluciones de los polímeros en CHCl3 y

THF de 5 mg/mL y 10 mg/mL.

PARTE EXPERIMENTAL

39

6.2 SÍNTESIS

6.2.1 PROCEDIMIENTO GENERAL DE ACOPLAMIENTO CON MPA,

SÍNTESIS DE (S)-1, (S)-2 y (S)-3

A una disolución del correspondiente ácido-α-metoxifenilacético (MPA), HATU y

HOBt, se añade DIPEA (diisopropiletilamina) y se deja en agitación, bajo atmosfera inerte,

durante 15 minutos para activar el ácido.

Transcurrido este tiempo, se añade la correspondiente anilina, la reacción se deja en

agitación, bajo atmosfera inerte, durante 12 horas. El seguimiento de la reacción se realiza

mediante cromatografía en capa fina.

La mezcla de reacción se diluye en CH2CL2, se lava con HCl 1M y a continuación

con NaHCO3.La fase orgánica se seca con Na2SO4 anhidro, se filtra por gravedad y se

concentra a sequedad. El producto resultante se purifica mediante cromatografía sobre gel

de sílice empleando como eluyente una mezcla de hexano/acetato de etilo (7:3),

obteniéndose así los correspondientes monómeros (S)-1, (S)-2 y (S)-3.

Esquema 2. Síntesis del monómero (S)-1

Monómero (S)-1: ácido-(S)-α-metoxifenilacético (0.85 g, 1.2 equiv.), CH2Cl2 seco (50

mL), HATU (1.95 g, 1.2 equiv.), HOBt (0.15 g, 1.2 equiv.), DIPEA (0.75 g, 1.2 equiv.), 4-

etinilanililina (0.50 g, 1.0 equiv.), HCl 1M (2x30 mL) Y NaHCO3 (2x30 mL). Rendimiento

del 86 %.

PARTE EXPERIMENTAL

40



mL), HATU (1.95 g, 1.2 equiv.), HOBt (0.15 g, 1.2 equiv.), DIPEA (0.75 g, 1.2 equiv.),

3-etinilanililina (0.50 g, 1.0 equiv.), HCl 1M (2x30 mL) Y NaHCO3 (2x30 mL). Rendimiento

del 87 %.



mL), HATU (1.95 g, 1.2 equiv.), HOBt (0.15 g, 1.2 equiv.), DIPEA (0.75 g, 1.2 equiv.), 2-

etinilanililina (0.50 g, 1.0 equiv.), HCl 1M (2x30 mL) Y NaHCO3 (2x30 mL). Rendimiento

del 84 %.

PARTE EXPERIMENTAL

41

(S)-N-4-(etinilfenil)-2-metoxi-2-fenilacetamida [(S)-1]:

[α]D = +15 (c = 15 mg/mL, CHCl3).

1H RMN (300 MHz, CDCl3) δ (ppm): 3.03 (s, 1H), 3.45 (s, 3H), 4.73 (s, 1H), 7.31-7.47

(m, 7H), 7.52-7.60 (m, 2H), 8.59 (S, 1H).

13C RMN (75 MHz, CDCl3) δ (ppm): 57.7, 77.8, 83.7, 84.1, 118.2, 119.6, 127.4, 129, 133.3,

136.7, 138.1, 168.9 ppm.

Figura 29. Espectros de RMN de 1H y 13C de (S)-1

PARTE EXPERIMENTAL

42

(S)-N-3-(etinillfenil)-2-metoxi-2-fenilacetamida [(S)-2]:

[α]D = +75 (c = 15 mg/mL, CHCl3).


(m, 7H), 7.62 (dt, J= 2.3 Hz, J=7.6 Hz, 1H), 7.71 (s, 1H), 8.55 (s, 1H).

13C RMN (75 MHz, CDCl3) δ (ppm): 57.6, 77.7, 83.3, 84.0, 120.4, 123.1, 123.3, 127.3, 128.3,

128.9, 129.3, 136.6, 137.6, 168.9.


PARTE EXPERIMENTAL

43

(S)-N-2-(etilfenil)-2-metoxi-2-fenilacetamida [(S)-3]:

[α]D = +200 (c = 15 mg/mL, CHCl3).

1H RMN (300 MHz, CDCl3) δ (ppm): 3.49 (s, 3H), 3.54 (s, 1H), 4.76 (s, 1H), 7.04

(dt, J = 1.1Hz, J = 7.6 Hz, 1H), 7.25-7.50 (m, 7H), 8.39 (dd, J = 1.1 Hz, J= 7.6 Hz, 1H),

9.46 (s, 1H).


127.3, 128.8, 130,3. 132.3, 136.7, 139.2, 169.0


PARTE EXPERIMENTAL

44

6.2.2 SÍNTESIS DEL MONÓMERO (R)-4

Esquema 5. Formación del monómero (R)-4

A una disolución de (R)-α-metoxi-α(trifluorometil)fenilacético (2.00 g, 1.0 equiv.) en

hexano seco (80 mL) se adiciona en este orden, DMF seco (600 μL) y cloruro de oxalio (5.0

mL, 1.4 equiv.). A continuación, se deja en agitación, bajo atmosfera inerte, durante 20

minutos para que tenga lugar la activación del ácido.

Transcurrido dicho período de tiempo, la disolución se filtra, se concentra a

sequedad, se disuelve en CH2Cl2 (80 mL) y se adiciona DIPEA (2.4 mL, 1.6 equiv.) y 4-

etinilanilina (0.85 g, 1 equiv.). A continuación, se deja en agitación, bajo atmosfera inerte,

durante 24 horas. El seguimiento de la reacción se lleva a cabo mediante cromatografía en

capa fina.

La mezcla de reacción se traspasa a un embudo de decantación. Se realizaron 3

lavados con HCl (1 M, 80 mL).

La fase orgánica se seca con Na2SO4 anhidro, se filtra por gravedad y se concentra a

sequedad. El producto resultante se purifica mediante cromatografía sobre gel de sílice

empleando como eluyente una mezcla de hexano/acetato de etilo (7:3), obteniéndose el

monómero m-(R)-4 con un 85 % de rendimiento.

PARTE EXPERIMENTAL

45

(R)-N-(4-etinilfenil)-3,3,3-trifluoro-2-metoxi-2 fenilpropanamida [(R)-4]:

[α]D = +67.7 (c = 10 mg/mL, CHCl3).

1H RMN (300 MHz, CDCl3) δ (ppm): 3.09 (s, 1H), 3.47 (s, 3H), 7.37-7.56 (m, 5H), 7.53-7.59

(m, 4H), 8.77 (s, 1H).


129.8, 132.0, 132.9, 137.1, 164.5.

19F RMN (282 MHz, CDCl3) δ (ppm): -68.5.

Figura 32. Espectro de RMN de 1H, 13C y 19F de (R)-4

PARTE EXPERIMENTAL

46

6.2.3 SÍNTESIS DEL MONÓMERO (R)-5

Esquema 6. Síntesis del monómero (R)-5

A una disolución de ácido 4-etinilbenzoico (1.7 g, 1.2 equiv.) en CH2Cl2 seco (70

mL) se adiciona EDC (1.35 g, 1.2 equiv.), HOBt (1.4 g, 1.2 equiv.), DIPEA (1 mL, 2 equiv.).

Dicha disolución, se deja en agitación, bajo atmósfera inerte, durante 15 minutos. Para que

temga lugar la activación del ácido.

Transcurrido dicho período de tiempo se adiciona a la mezcla de reacción metil D-

fenilglicina (1.47 g, 1.0 equiv.) y se deja la mezcla de reacción bajo agitación, en atmosfera

inerte, toda la noche.

La mezcla de reacción se lava primero con HCl 1M (2X30 mL) y a continuación con

NaHCO3 (2X30 mL).

La fase orgánica se seca con Na2SO4 anhidro, se filtra a gravedad y se concentra a sequedad.

El producto obtenido se purifica mediante cromatografía sobre gel de sílice empleando como

eluyente una disolución de hexano/acetato de etilo (7:3), obteniéndose así el monómero m-

(R)-5 con un 74% de rendimiento.

PARTE EXPERIMENTAL

47

Metil (R)-2-(4-etinilbenzamida)-2-fenilacetato [(R)-5]:

[α]D = -66 (c = 1.1 mg/mL, CHCl3).


(m, 7H), 7.54-7.59 (m, 2H), 8.60 (s, 1H).


132.3, 133.5, 136.4, 165.7, 171.4.


PARTE EXPERIMENTAL

48

6.2.4 PROCEDIMIENTO GENERAL DE POLIMERIZACIÓN

Esquema 7. Procedimiento de polimerización

La polimerización se lleva a cabo en un tubo sellado, el cual se seca a vacío y a

continuación se enjuaga con argón, repitiendo este procedimiento tres veces antes de añadir

el monómero sólido. Después, se añade THF seco con una jeringuilla y luego, trietilamina

gota a gota. Seguidamente, se añade una disolución de [Rh(nbd)Cl]2 en THF a 30 ºC. La

mezcla de reacción se agita a 30 ºC durante 6 horas.

A continuación, el polímero resultante se diluye en CH2Cl2 y se precipita en una gran

cantidad de metanol, se centrifuga 2 veces, se reprecipita en hexano y se centrifuga de nuevo.

El peso molecular de los polímeros obtenidos se estima mediante GPC, con THF a un caudal

de 1 mL/min y una concentración de 0.5 mg/mL, utilizando estándares estrechos de

poliestireno como calibradores.

Se obtienen mediante este procedimiento los polímeros poli-(S)-1 (85 %), poli-(S)-2

(85 %), poli-(S)-3 (47 %), poli-(R)-4 (93 %) y poli-(R)-5 (80 %).

Figura 34. Espectro de RMN de 1H de poli-(S)-1

PARTE EXPERIMENTAL

49

Figura 35. Espectros de RMN de 1H de poli-(S)-2

Figura 36. Espectros de RMN de 1H de poli-(S)-3

PARTE EXPERIMENTAL

50

Figura 37. Espectro de RMN de 1H y 19F de poli-(R)-4

Figura 38. Espectro de RMN de 1H de poli-(R)-5

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